闭式循环热动力系统不向雷外作任何排放,是完全无尾迹的,并且不受背压影响能适应大深度航行,是未来鱼雷动力发展的方向之一。由于系统与外界只有热量交换而无物质交换,没有尾气排放,发动机做功后的乏汽必须经壳体冷凝器冷凝成水后才能供给系统作为循环工质使用,缺之则无法构成闭式循环,其工作特性直接影响汽轮机工作性能乃至闭式循环的总效率,所以壳体冷凝器是闭式循环系统必不可少的关键组件。由于其外部结构受限、内部空间也非常有限、热流体为大流量、高能量的过热蒸汽等这些特殊条件的限制,目前对其内部流动换热特性并没有准确的认识,还有待进一步的深入研究。本文以闭式循环热动力系统核心组成部分——壳体冷凝器为研究对象,建立了壳体冷凝器内部蒸汽流动凝结过程的物理模型,设计了试验装置并搭建了蒸汽冷凝试验系统。针对复杂约束条件下壳体冷凝器单通道和壳体冷凝器整机,对其流动换热特性进行了深入的理论分析、一维仿真、三维数值模拟和试验研究,分析了各因素对蒸汽流动换热特性的影响并利用试验数据验证并修正了相关计算模型,形成了壳体冷凝器蒸汽冷凝换热预测模型。利用壳体冷凝器单通道和整机一维仿真计算模型,计算获得了冷却通道内沿轴向温度、压力、干度以及速度分布特性。分析表明:在蒸汽冷凝换热过程中,蒸汽在两相区与壁面的换热量最大,换热能力沿流向随着液膜厚度的增加而降低;由于气液两相速度差异导致强烈的剪切作用,有利于降低液膜厚度,因此提高蒸汽初速可提高换热效果。影响环状流冷凝段长度的主要因素有蒸汽入口压力、流量、温度、通道大小等工况参数。随着入口压力的升高,饱和温度上升,凝结出现位置提前,通道内流速下降,冷凝段长度减小,流动损失也下降。但压力过大时,由于蒸汽密度增大,速度减小,换热系数会随之降低,导致冷凝段的长度减小趋势慢慢变缓;当入口蒸汽流量增加时,入口蒸汽流速也随之增加,各段换热系数亦跟随增加,故虽然总体换热量增加,但对冷凝段长度影响并不大。随着蒸汽流量的继续增加,总体换热量也继续上升,此时流速对换热效果提高有限,故冷凝段长度随蒸汽流量增加迅速增大;提高入口温度主要影响进口段的换热与流动特性,增加冷凝段的长度,但对通道内的局部换热系数影响较小,当冷却通道足够长时,一定范围内的入口温差对出口参数影响较小。单位长度的蒸汽侧换热系数随通道宽度增加而减小,冷却通道轴向单位长度压损随通道宽度增加不断减小。增加通道数量能有效提高壳体冷凝器平均换热系数,增强壳体冷凝器的换热能力缩短蒸汽完全冷凝所需的冷凝器长度,且由于通流面积的增加减少流动阻力。随着通道螺旋角度的减小,通道内蒸汽流向变化梯度也越大,能有效冲刷冷凝液膜,削弱液膜在通道壁上的附着能力,进而降低液膜厚度提高冷凝器单位长度换热系数。螺旋角越小,蒸汽完全冷凝所需冷凝器长度越短,但随着通道螺旋角度的减小壳体冷凝器压损有增大趋势。通过对壳体冷凝器单通道和整机三维数值模拟分析,获得了冷凝器通道内部蒸汽冷凝过程温度场、压力场、速度场的分布情况。分析得出了不同入口温度、流量和压力等参数对通道内蒸汽冷凝过程各参数的影响规律,比较完整地阐明了鱼雷壳体冷凝器通道内蒸汽冷凝流动换热特性及其机理。基于不同参数下通道内部换热特性参数拟合,建立了单通道换热预测模型。研究结果表明:在进口段,壁面附近过热蒸汽受冷极易凝结,仅在冷却通道中心附近为过热蒸汽。由于壁面附近受冷蒸汽凝结过程中释放大量潜热,将加热其附近蒸汽,提高其局部过热度,从而推迟了其在下游的凝结,甚至使得部分壁面液膜向下游发展过程中出现二次蒸发现象。由于气液速度差异引起的强剪切作用导致界面失稳,出现较大的流动波动现象,壁面附近交替出现局部高、低速区和汽、液集中区。波动现象会加剧壁面附近低温流体与冷却通道中心高温流体间的质量和能量掺混,从而增强了换热效果,也导致较大的流动损失。随着蒸汽沿轴向发展,蒸汽温度不断下降,整个冷却通道横截面将被气液混合物充满。两相混合区内冷却通道中心附近高蒸汽体积分数区更接近下壁面,浮升力和重力对等温放热区的两相流动影响减弱,冷却通道内气液分布的发展主要由壁面温度或换热特性主导。不同进口蒸汽参数对比研究表明,随着进口压力的增大,凝结出现位置提前,管内流速下降,流动损失下降;而蒸汽温度的增加主要影响进口段的换热与流动特性,而对两相等温放热段及全液换热段的影响较小,当冷却通道长度足够长时,一定范围内的入口温差对出口参数的影响较小。在本文所研究的通道宽度下,通道换热能力随着其宽度的增加而略有下降,但其流动损失则明显减小。从管内流型演化来看,在入口段呈现间歇流状态;而后向下游演化为波状环状流状态,即冷却通道四周均被液膜覆盖,而冷却通道中心为气液混合流动状态;随着冷却通道内流体进一步冷却,最终进入全液流动状态,并以较为均匀的平行流动状态向出口发展。通过对流动与换热特性分析,建立了单通道换热经验关联式,并与试验结果进行了对比,其计算精度优于已有经验公式,对冷凝器流动换热设计与计算具有较好的工程指导意义。初步探讨了壳体冷凝器整机螺旋通道内换热与流动特性,计算结果表明,采用本文建立的单通道换热预测模型,可较好的预测螺旋通道总体换热与流动特性,但两相区出现位置存在一定的误差,这主要是由于所建立的模型没有考虑离心力影响所致。壳体冷凝器整机螺旋通道数值模拟结果还表明,螺旋通道内由于离心力影响,其冷凝水主要附着在内壁侧,而蒸汽则更易向外壁侧流动,离心力作用有助于降低冷凝液膜厚度增强蒸汽与冷却侧壁面间的换热。对壳体冷凝器单通道和冷凝器整机在不同入口蒸汽条件下的冷凝换热特性进行了试验研究。研究结果表明:通道内的蒸汽冷凝总传热量、热流密度、出口温度、蒸汽侧对流换热系数和总传热系数均随着入口蒸汽质量流量的增大而增大。试验器总传热量、热流密度以及出口温度随着入口蒸汽温度的增加略有上升,但上升幅度非常小,总传热系数和蒸汽侧对流换热系数基本保持不变。通过对壳体冷凝器整机试验数据分析得到了蒸汽冷凝传热经验关联式,可以作为壳体冷凝器的设计计算依据,预测壳体冷凝器换热效果。本文的研究不仅有利于提高对闭式循环系统壳体冷凝器通道内蒸汽冷凝换热特性及机理的理解,还有助于壳体冷凝器的开发以及优化设计。